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    不鏽鋼焊縫中氣孔形成機理研究及其進展

    作者:admin 來源: 日期:2018/8/20 2:21:05 人氣:7

    以金紅石型鉻鎳奧氏體不鏽鋼焊條焊縫為研究對象,以氣泡浮出速度理論為基礎,綜合介紹了不鏽鋼焊縫中氣孔形成機理研究的幾種觀點:藥皮中水分影響理論、熔滴中非金屬夾雜物影響理論、焊縫金屬凝固模式影響理論和熔滴過渡形態影響理論,為後續研究及工程應用提供了必要的理論依據。

    在不鏽鋼熔化焊接中,焊縫中氣孔敏感性較大。從質量控製標準觀點看,焊縫中出現成串或密集氣孔時,由於承載截麵積減小,使靜載強度和疲勞強度明顯降低;從合於使用標準觀點看,除了表麵氣孔對疲勞強度不利之外,焊縫中的氣孔對結構使用的有害影響較小。然而,從現場施工技術要求看,通常在較重要結構的焊縫中(GB/T1246990中Ⅰ、Ⅱ級焊縫)出現表麵氣孔是不容許的,換言之,在這類焊縫中出現表麵氣孔,常被判為不合格產品。由此可見,防止不鏽鋼焊縫中氣孔的產生,是這類工程結構製造中的重要技術關鍵。隨著焊接技術的進步,采用一定的工藝措施可以改善焊縫的抗氣孔性。但是,這並不意味著已經完全消除了產生氣孔的危險。在一些情況下,如用工藝性極好的金紅石型不鏽鋼焊條(無論國產的還是國外名牌的)焊接時,焊縫中的氣孔仍時有發生。這表明氣孔生成機理的複雜性和未知性,同時也表明繼續深入研究氣孔生成機理的必要性和重要性。值得稱道的是,在上個世紀60年代或更早時期,一些學者提出的“氣泡浮出速度”理論,為焊縫中氣孔形成機理研究奠定了堅實的基礎。從那時以來,學者們對“焊縫中氣孔形成機理”研究不僅沒有停止,而且有了長足的進展,尤其是近年來一些學者提出“非金屬夾雜物影響”及“焊縫金屬凝固模式影響[8]”等理論,將焊縫中氣孔形成機理研究推向一個嶄新的階段。本文以金紅石型鉻鎳奧氏體不鏽鋼焊條焊縫為研究對象,以氣泡浮出速度理論為基礎,綜合介紹不鏽鋼焊縫中氣孔形成機理研究的幾種觀點和最新成果,為後續研究及工程應用提供必要的理論依據。

    1氣孔的特征和性質

    鉻鎳奧氏體不鏽鋼焊縫中出現的氣孔多為表麵氣孔,多數氣孔單個出現,也有2個氣孔串接出現的,但未發現密集性氣孔。氣孔的外觀形態多呈喇叭口形,其尺寸大小不一,最大的直徑達2.02.5mm,最小的直徑隻有零點幾毫米,其中<0.51.5mm的數量居多。氣孔在整條焊縫上的分布(1),從縱向看,有的在前段,有的在中段,有的在後段,也有跨區段的;從橫向看,有的位於熔寬中心線附近,有的位於焊縫的熔合線附近。按照氣孔形成特點,不鏽鋼焊縫中氣孔可分為兩種類型[8]:凝固收縮型氣孔和氣體逸出型氣孔。收縮型氣孔的內表麵非常粗糙,逸出型氣孔的內表麵較為光滑。根據氣孔的形態特征及形成特點,有關文獻一致判定它的性質是氫致氣孔。

    2氣孔形成機理研究的幾種觀點

    2.1氣泡浮出速度理論

    該理論是早期氣孔形成機理研究的經典理論,一直沿用到現在,仍不失其指導意義。該理論認為[13],焊縫中氣孔的形成是冶金過程,它由氣泡的生核、長大和上浮三個階段組成。當液態金屬中有過飽和的氣體,熔池中存在大量現成表麵時,氣泡的生核就比較容易。當氣泡內部的壓力大於阻礙氣泡長大的外界壓力時,氣泡就要長大,並趨向外逸。當氣泡的浮出速度ve小於或等於焊縫的凝固速度R,就可能殘留在焊縫中形成氣孔。氣泡的浮出速度ve隨氣泡半徑r、液態金屬與氣泡密度差(ρ1-ρ2)的增加而增加,隨液態金屬粘度η增加而減小:ve=2(ρ1-ρ2)gr29η(1)式中:ve為氣泡的浮出速度;ρ1為液態金屬的密度;ρ2為氣體的密度;g為重力加速度;r為氣泡的半徑;η為液態金屬的粘度。分析表明,焊縫的凝固速度R越大,越不利於氣泡的浮出,越易於引起氣孔。氣泡的半徑r越大,液態金屬的密度ρ1越大,液態金屬的粘度η越小時,氣泡的上浮速度ve也就越大,焊縫中就不易產生氣孔。鉻鎳奧氏體不鏽鋼在液態時的粘度η比較大,影響氣泡上浮速度ve,因此焊縫具有較大的氣孔敏感性。

    2.2藥皮中水分影響理論

    (1)金紅石型不鏽鋼焊條氣孔形成有三要素:①藥皮的含水量高,進入熔池的氫總量較多;②電弧氣氛中的氧化勢較低,對氫的抑製作用較弱;③熔滴階段的還原反應使矽向熔池中過渡,阻礙熔池中氫的逸出。上述三要素中,藥皮的含水量是決定因素。(2)文獻[9]針對直徑4mm不鏽鋼焊條,提出藥皮中水分影響理論:①藥皮原始含水量小於0.35%,由於藥皮中含水量很低,電弧下熔滴攜帶和進入熔池中氫的總量很少,氣孔傾向小;②藥皮原始含水量為0.4%0.6%,藥皮中含水量增高,進入熔池中氫的總量增加了,如果氫的逸出條件較差時,很容易產生氣孔;③藥皮原始含水量大於1.5%,這時藥皮中含水量屬高水分,進入熔池中氫的總量更多,由於熔池激烈沸騰,氣泡逸出條件改善,氣孔傾向反而減小。(3)基於焊接過程中焊條藥皮實際含水量變化,及其對氣孔的影響規律,文獻[9]還提出氣孔沿焊縫方向移動規律(2):①如果在焊縫前段出現氣孔,表明藥皮原始含水量偏高,降低藥皮含水量時,氣孔部位將向左移;②假如在焊縫後段出現氣孔,表明藥皮原始含水量更高,繼續增加藥皮含水量,氣孔部位將向右移動;③如果氣孔出現在焊縫中段,增加藥皮含水量,氣孔部位將向右移動,減少藥皮含水量,氣孔部位將向左移動。上述氣孔移動原理,為采用調整藥皮含水量方法,有效防止氣孔產生,提供了必要的理論依據。

    2.3熔滴中非金屬夾雜物影響理論

    (1)早在上個世紀70年代初,文獻[1]在研究氣孔形成過程時,曾述及在液態焊縫金屬內的非金屬夾雜物上可能產生氣孔,然而並未給出有力的試驗依據和進一步的研究。20世紀70年代末,又有文獻指出,非金屬夾雜物也有利於接頭中氣孔的形成[4]。該文認為:①液態金屬對非金屬夾雜物表麵的潤濕性,比對晶體表麵的潤濕性小;②非金屬夾雜物的尺寸對氣泡潤濕性的影響,表現為限製氣泡潤濕範圍的增加,如果夾雜物尺寸較大,其半徑超過1.52μm,氣泡從此夾雜物分離的臨界半徑要比從晶體表麵分離的臨界半徑大,此時,氣泡從夾雜物分離的可能性降低,氣孔發生的傾向增大了,另一方麵,氣泡從分散的、小尺寸的、半徑不超過0.51μm的夾雜物表麵分離,要比從晶粒表麵分離發生的早,這就增大了焊縫的抗氣孔性。(2)進入21世紀,有關非金屬夾雜物對氣孔影響的研究,進入了一個新時期。文獻[57]首次將熔滴過渡與熔滴中夾雜物及焊縫中的氣孔相聯係,提出了熔滴中非金屬夾雜物影響氣孔產生的創新機理。該理論認為:①熔滴中的非金屬夾雜物是熔滴過渡區化學反應的產物,它的形態呈圓球形,其直徑大小不一,最大的直徑超過100μm,最小的直徑隻有一點幾微米。熔滴中夾雜物分布不均勻,熔滴中心附近的夾雜物數量很少,大多數位於熔滴邊緣附近,熔滴中夾雜物數量比熔敷金屬中高十幾倍,夾雜物的尺寸亦比熔敷金屬中的大得多;②熔滴中形成的非金屬夾雜物與其吸附的氫同時進入熔池,在熔池中氣泡長大和上浮過程中,尺寸較大的夾雜物對氣泡上浮阻礙作用大,尺寸較小的、分散分布的夾雜物對氣泡上浮阻礙作用較小;③熔滴中的非金屬夾雜物數量越多,吸附的氫也越多,對氣泡的上浮阻礙作用越大,焊縫中氣孔傾向就大,反之,非金屬夾雜物數量越少,氣孔傾向就越小;④熔滴尺寸與非金屬夾雜物數量及氣孔傾向之間有以下關係,細熔滴中生成的夾雜物數量較多,氣孔傾向較大,反之,粗熔滴中夾雜物數量較少,氣孔傾向較小;⑤金紅石型藥皮中矽鋁酸鹽組成物含量較高,在熔滴過渡階段發生的滲矽增氧反應,一方麵使熔滴中生成了數量可觀的夾雜物,另一方麵還導致熔滴和焊縫的嚴重增矽,熔池中大量的非金屬夾雜物以及表麵活性元素矽,都對熔池中氣泡上浮逸出起阻礙作用,因此,這類焊條焊縫中的氣孔敏感性較大。

    2.4焊縫金屬凝固模式影響理論

    上個世紀70年代以來,相繼有學者認為,焊縫氣孔的產生與鉻鎳奧氏體不鏽鋼焊縫凝固過程、組織變化有聯係,提出了與眾不同的“焊縫金屬凝固模式影響”理論[8]。所謂焊縫金屬凝固模式,是指焊縫結晶初生領先相是γ還是δ。可用Cr-Ni偽二元相圖(3)來討論,合金①的結晶初生相為δ,其凝固模式用F表示。合金②的結晶初生相仍為δ,但越過AB麵後又依次發生包晶和共晶反應:L+δ→L+δ+γ→L+γ。這種凝固模式用FA表示。合金③的結晶初生相為γ,越過AC麵後依次發生:L+γ→L+γ+δ→γ+δ。這種凝固模式用AF表示。合金④的結晶初生相為γ,直到凝固結束,以至室溫不再相變。這種凝固模式用A表示。文獻[10]指出:在焊縫的胞狀結晶組織中,結晶前沿相對光滑,且具有長而深的熔化金屬凹區。在此凹區中,當δ為先析出相結晶時,氫含量可達到40×10-645×10-6,這一數值超過了氫的溶解度20×10-6,這很可能導致氣孔生核。當γ為先析出相結晶時,氫含量為25×10-6,該數值並未超過氫的飽和值。因此得出結論:δ為初生相結晶與γ為初生相結晶相比,其焊縫更容易導致氣孔形成。

    焊縫金屬的凝固模式,可以用鉻鎳當量比值Creq/Nieq來確定,CreqNieq的計算式為[10]:Creq=Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti(2)Nieq=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+Cu(3)Creq/Nieq<1.55,焊縫是γ為初生相凝固模式,焊縫氣孔傾向小;Creq/Nieq>1.55,焊縫是δ為初生相凝固模式,焊縫氣孔傾向大。可以看出,焊縫金屬合金係統的變化,引起鉻鎳當量比值Creq/Nieq的變化,從而導致焊縫結晶初生領先相的變化,最終影響氣孔傾向變化。由此推測,控製引起焊縫合金係統變化的冶金或工藝因素,使焊縫中Creq/Nieq<1.55,就有可能控製鉻鎳奧氏體不鏽鋼焊縫中氣孔傾向。

    2.5熔滴過渡形態影響理論

    上個世紀80年代初,對不鏽鋼焊條開展的研究發現,焊條的熔滴過渡形態對工藝性能有重要影響,具有世界先進水平的名牌不鏽鋼焊條,其熔滴均呈渣壁過渡形態。因此認為,實現渣壁過渡形態是改善不鏽鋼焊條綜合工藝性能的關鍵條件。20世紀90年代後期,有報道指出,不鏽鋼焊條熔滴過渡形態與工藝性能之間的關係比較複雜:細熔滴渣壁過渡時,焊條的工藝性能雖然很好,然而氣孔傾向較大;粗熔滴過渡時,工藝性能較差,氣孔傾向卻較小。為此,文獻[11]首次將焊條的熔滴過渡特性與氣孔相聯係,探討它們之間的關係,提出了過渡形態影響理論:①電弧中熔滴吸收氫的總量是氣孔形成的主導因素,細熔滴渣壁過渡時,熔滴的比表麵積大,在電弧中吸收的氫量多,進入熔池中的氫總量多,當氫的逸出條件差時,極易形成氣孔,反之,粗熔滴過渡時,熔滴的比表麵積小,熔滴吸收的氫量少,進入熔池中的氫總量少,氣孔傾向小;②促使熔滴細化的藥皮組成物,含量多時氣孔傾向增大,促使熔滴粗化的藥皮組成物,含量多時氣孔傾向減小;③對熔滴尺寸影響不大的藥皮組成物,含量多時氣孔傾向主要取決於進入熔池中的氫總量,以及熔池中氫的逸出條件。基於熔滴過渡形態影響原理,文獻[12]提出了熔滴的準渣壁過渡概念及其形成條件。所謂準渣壁過渡是在渣壁過渡的前提下,適當調整熔滴的粒度比,使細熔滴與粗熔滴數達到一定比例。一定比例的粗熔滴,在電弧中吸收的氫量較少,進入熔池中的氫總量少,使氣孔傾向減小。在此基礎上,文獻[13]推出了一種雙層藥皮不鏽鋼焊條,它的內層藥皮渣堿度很小,外層藥皮渣堿度略大。利用內外層藥皮的不同特性,實現了準渣壁過渡形態,使焊條具有良好的工藝性和抗氣孔性。雙層藥皮不鏽鋼焊條的良好工藝質量,有力地顯示了“熔滴過渡形態影響理論”的實用價值。

    3結束語

    根據氣孔的形態特征及形成特點,有關文獻一致判定它的性質是氫致氣孔。然而對氣孔的形成機理研究卻出現了多種理論。可以看出,這幾種理論之間不僅不矛盾,而且形成了互為補充、完善及發展的關係。(1)氣泡浮出速度理論作為氣孔形成機理原創性經典理論,以其嚴謹的科學性和前瞻性保持了它的學術地位,以致於多年以後出現的若幹理論,均建立在它的基礎上。(2)藥皮中水分影響理論、熔滴中非金屬夾雜物影響理論、焊縫金屬凝固模式影響理論及以及熔滴過渡形態影響理論,它們從不同的視角提出了更加細化的、帶有局部創新的理論,把氣孔形成機理研究推向了一個嶄新階段。(3)關於氣孔形成機理研究,還有許多工作要做。隨著測試及相關技術的進步和完善,在一些未知的、關鍵過程機製研究方麵,一定會取得突破性的進展。

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